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2.9 陶瓷的反应成形法和反应烧结法焊接

2.9.1 陶瓷的反应成形法焊接

陶瓷的反应成形法焊接是从SiC陶瓷的反应成形中发展而来的,目前主要用于焊接SiC基陶瓷和其纤维增强复合材料。目的主要是克服金属中间层钎焊或扩散焊时,接头使用温度低于母材,以及因金属与陶瓷的线胀系数不匹配而产生残余应力,而使接头性能降低的一种方法。

陶瓷的反应成形法的焊接工艺是:先将碳的化合物置于接头区域,将工件装在夹具上,在110~120℃下干燥10~20min,使其与焊件粘合在一起,然后将Si或含Si的合金制成片状、膏状或悬浮液状置于接头区,加热到1250~1425℃,保温10~15min,熔化的Si或含Si合金与碳反应形成SiC及含量可控的Si或其他相。接头厚度可以通过调整含碳物和夹紧力来控制,接头厚度与成分对其低温和高温性能有明显的影响。

采用反应成形法焊接的RBSiC(反应烧结SiC)陶瓷接头,其显微组织由基体Si相与粗细不均匀的SiC颗粒组成,接头中还存在一些空洞。用反应成形法焊接RBSiC(反应烧结SiC)和烧结SiC陶瓷接头时,接头和母材在不同试验温度下的四点抗弯强度在图2-45中给出。接头一般都断在连接层中。

图2-45 用反应成形法焊接RBSiC(反应烧结SiC)和烧结SiC陶瓷时接头和母材的四点抗弯强度

1—室温 2—1200℃ 3—1350℃

还可以将树脂陶瓷化来焊接陶瓷。用Preceremic聚合物SR350硅酮树脂,在纯酒精中将其溶解为4300g/L的浆料,将此浆料涂在陶瓷表面上,将两陶瓷夹在一起形成接头,并加压12.7kPa,在空气中加热200℃保温2h,以得到完全交联的热固性硅酮树脂,并形成均匀厚度约为14~18μm的聚合物连接层。然后,在流动的氩气中加热到800~1200℃保温60min。加热和冷却速度都非常慢,约1℃/min,以减少因线胀系数的不匹配而产生的残余压力。在这个温度下保温过程中,聚合物向陶瓷转变形成Si-O-C非晶体的共价键陶瓷,此陶瓷作为无机黏结剂将使两块RBSiC连接在一起形成化学键。硅酮树脂聚合物分解得到的Si-O-C非晶体的共价键陶瓷的平均线胀系数为3.14×10 -6 K -1 ,而RBSiC陶瓷在20~1200℃范围内的平均线胀系数为4.5×10 -6 K -1 。用这种方法焊接的RBSiC陶瓷接头的四点抗弯强度将随焊接温度而变(见图2-46)。这是因为温度不同,连接层厚度不同。温度越高,连接层厚度越低,在800℃、1000℃、1200℃时的连接层厚度分别为6.5μm、4.5μm、2.5μm。

2.9.2 陶瓷的反应烧结法焊接

用锆石粉烧结法可以焊接Al 2 O 3 陶瓷和莫来石陶瓷。锆石粉(粒度1.2μm和1.5μm)用质量分数为1%的散凝剂与30%或60%的乙醇混合,将被焊陶瓷面磨到表面粗糙度达 Ra 1μm后,涂抹上锆石粉混合液,装配后在60℃下干燥24h,在1600~1680℃下焙烧1.5h。

锆石与莫来石是稳定而固相相容的材料。锆石在包晶温度(约1600℃)以上形成ZrO 2 和液相,此液相与莫来石不平衡。莫来石溶入液相,其成分沿液相线移动,液相润湿莫来石基体。液相凝固形成玻璃相,玻璃相含量及组织与锆石含量有关,锆石含量高,玻璃相含量大,而且,玻璃相促进ZrO 2 晶粒的粗化。表2-46给出了用锆石粉烧结法焊接Al 2 O 3 陶瓷和莫来石陶瓷接头在室温和1200℃时的四点抗弯强度。用质量分数为40%的锆石粉烧结法来焊接Al 2 O 3 陶瓷,也可得到良好的焊接接头。

图2-46 用树脂反应陶瓷化焊接RBSiC陶瓷接头的四点抗弯强度与温度之间的关系

表2-46 用锆石粉烧结法焊接Al 2 O 3 陶瓷和莫来石陶瓷接头四点抗弯强度(单位:MPa) FbkQl373A2ct7vvyjfbZSFFXWIeHAo+d0ifb1WvnBi+5y3SJLy0soDdXhXBC5Q3H

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